Pompe di circolazione per gli impianti di riscaldamento

Corso di
IMPIANTI TECNICI per l’EDILIZIA
Pompe di circolazione per gli
impianti di riscaldamento
Prof. Paolo ZAZZINI
Dipartimento INGEO
Università “G. D’Annunzio” Pescara
www.lft.unich.it
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Pompe di circolazione
Negli impianti di riscaldamento la circolazione dell’acqua avviene mediante pompe di
circolazione azionate da motori elettrici (elettropompe)
circolazione forzata.
Gli impianti a circolazione naturale sono in disuso.
Gli impianti a circolazione forzata sono a circuito chiuso.
Eventuali reintegri vengono fatti per compensare possibili perdite, che possono aver
luogo nei giunti, nei raccordi, etc.
Le pompe di circolazione forniscono all’acqua l’energia sufficiente per alimentare i
terminali dell’impianto (corpi scaldanti) vincendo le perdite di carico distribuite e
concentrate
Sono in commercio diverse tipologie di pompe, tra cui:
Pompe centrifughe
Pompe assiali (ad elica)
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Nelle pompe assiali una girante elicoidale imprime una spinta al fluido nella
direzione dell’asse di rotazione, la stessa in cui il fluido viene aspirato
Nelle pompe centrifughe una girante con le pale perpendicolari all’asse
imprime una spinta centrifuga all’acqua.
L’aspirazione avviene in direzione assiale mentre la mandata è in direzione
radiale all’estremità delle pale della girante.
Le pompe di circolazione utilizzate negli impianti idro-termosanitari sono di
solito di tipo centrifugo.
Le elettropompe centrifughe possono essere con motore esterno (a tenuta
meccanica) oppure inglobato nel corpo della macchina (circolatori).
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Sezione di una pompa centrifuga
1. Corpo pompa centrifuga
2. Girante
3. Scatola di comando
4. Motore elettrico
5. Selettore di velocità
6. Tappo di ispezione per il controllo della
rotazione e per lo sfiato dell’aria
7. Cuscinetti
da: Catalogo RIELLO
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Curva caratteristica di una pompa
Ad ogni pompa è associabile una curva di funzionamento determinata
sperimentalmente (curva caratteristica) che mette in relazione la portata
volumetrica del fluido trattato con la prevalenza della pompa
∆p
G
Ad ogni valore della portata corrisponde il valore della prevalenza che la pompa
fornisce al fluido
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Le elettropompe a tenuta meccanica, rispetto ai circolatori, presentano costi
minori e rendimenti più elevati, nonché intervalli di portata più ampi
I circolatori sono in grado di elaborare portate massime dell’ordine di 80-90
m3/h. Per contro sono meno rumorosi e presentano minore ingombro
I circolatori consentono di scegliere tra 3 o 4 curve di funzionamento
Ad ogni valore del numero di giri corrisponde una curva caratteristica.
∆p
n3 > n2 > n1
n1
n2
Le varie curve sono congruenti fra di
loro (sovrapponibili per traslazione)
n3
G
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Ad ogni circuito si può associare una curva caratteristica che dà le perdite di
carico in funzione della portata.
Poiché le perdite di carico dipendono dalla pressione cinetica (quadrato della
velocità), risultano proporzionali al quadrato della portata e la curva del
circuito è un ramo di parabola con vertice nell’origine degli assi
∆p
G
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Il punto di funzionamento della pompa P viene ottenuto intersecando la curva
caratteristica della pompa con quella del circuito.
Esso di solito non coincide con il punto di funzionamento teorico P’ che è
dato dalla coppia prevalenza portata calcolate nel processo di
dimensionamento delle reti di distribuzione
La scelta della pompa porterà a selezionare la curva caratteristica in maniera
tale che il punto di funzionamento effettivo sia il più vicino possibile a quello
teorico
∆p
P
∆p
P’
∆G
G
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Per determinare il punto di funzionamento teorico si fa riferimento ad un valore
di portata pari alla somma di tutte le portate dei corpi scaldanti alimentati
dall’impianto e ad una prevalenza pari alla perdita di carico totale del
circuito più sfavorito, maggiorando entrambe del 10 % per compensare le
inevitabili approssimazioni di calcolo.
La potenza ottenuta dalla pompa (potenza ideale) si calcola con la
formula seguente:
Ppompa = GH O ⋅ ∆p
2
in cui:
Ppompa : potenza ideale della pompa [W]
GH O : portata volumetrica d’acqua trattata dalla pompa [m3/s]
2
∆p : prevalenza impressa dalla pompa alla portata d’acqua [Pa]
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Si definisce rendimento il rapporto tra la potenza ideale (Portata x Prevalenza )
e la potenza assorbita dal motore elettrico.
η=
Ppompa
Pel
Le pompe centrifughe di piccola potenza hanno di solito rendimenti molto
bassi (≅ 0.2). Il rendimento aumenta all’aumentare della potenza, fino ad un
valore massimo di circa 0,7.
Nota la potenza elettrica assorbita si può determinare la potenza ottenibile
dalla pompa attraverso la conoscenza del rendimento.
Ppompa = η ⋅ Pel
Analogamente, nota la potenza ideale della pompa, si può determinare la
potenza elettrica assorbita
Ppompa
Pel =
η
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6
70,0
5
60,0
50,0
4
40,0
3
30,0
2
20,0
P o ten z a (W )
P revalen z a (m c.a.)
Esempio di prestazioni di una elettropompa centrifuga di potenza elettrica fissata
G(m3/h)
∆p (mH2O)
Pid (W)
Pel (W)
η
2
5,5
30,0
100
0,30
4
4,5
49,0
100
0,43
6
3,5
57,2
100
0,57
1
10,0
8
2,3
50,1
100
0,50
0
0,0
10
1
27,2
100
0,27
2
4
6
8
10
Portata (m3/h)
Curva caratteristica
Potenza ideale
Il massimo rendimento si ha in corrispondenza della massima potenza ideale
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Le linee tratteggiate individuano aree di funzionamento a diverso rendimento
∆p
∆p
0,7
0,5
P
P
0,5
n1
G
0,7
n2
G
La pompa va scelta in modo da far cadere il punto di funzionamento
all’interno della zona di massimo rendimento o il più vicino possibile ad essa.
E’ possibile cambiare il numero di giri per far sì che il punto di funzionamento
ricada in una zona ad elevato rendimento
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L e caratteristiche e le prestazioni della pompa devono essere adeguate alle
esigenze del circuito:
verificare il livello di rumorosità soprattutto per installazioni vicine ad
ambienti che richiedono bassi valori del livello sonoro.
E’ consigliabile installare a monte e a valle di ogni pompa valvole di
intercettazione per agevolare interventi di manutenzione, nonché manometri
per effettuare il controllo della pressione differenziale, la cui diminuzione può
essere indice di logoramento della girante o della presenza di ostruzioni nei
passaggi tra le palette.
Può accadere che le pompe di circolazione disponibili non rispondano ai
requisiti di prevalenza e portata dell’installazione.
In questo caso è possibile accoppiarne due o più pompe in serie o in
parallelo per ottenere le prestazioni richieste.
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Accoppiamento in serie di due pompe uguali
∆p
b
∆p1
a
∆p1
G1
∆p2
a: curva caratteristica di una pompa
b: curva di due pompe uguali in serie
∆p2
G2
G
Stessa portata G, prevalenza somma delle prevalenze ∆ptot=2 ∆p
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Accoppiamento in parallelo di due pompe uguali
∆p
b
a
∆p2
∆p1
G2
G2
G1
G1
a: curva caratteristica di una pompa
b: curva di due pompe uguali in parallelo
G
Stessa prevalenza ∆p, portata somma delle portate Gtot = 2 G
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Cavitazione
Consiste nella formazione di bolle di vapore instabili all’interno del fluido. L’implosione
di queste bolle produce un rumore caratteristico.
Può essere generata da una diminuzione della pressione locale (p ps)spinta fino al
valore della tensione di vapore del liquido (pressione alla quale il liquido vaporizza per un
valore dato di temperatura).
p
TC
T
GAS
C
Liquido
p
P
ps
Vapore
V
La pressione del liquido scende localmente per cui le bolle di vapore che si formano si
trovano ad un valore di pressione inferiore a quello del liquido circostante.
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Nell’ebollizione il liquido vaporizza perché raggiunge le condizioni di saturazione
all’aumentare della temperatura a pressione costante, per cui il vapore contenuto nelle
bolle ed il liquido circostante si trovano allo stesso valore di pressione (tensione di
p
vapore).
TC
T
Ts
GAS
C
Liquido
p≡ ps
P
Vapore
V
A differenza di ciò che avviene nell’ebollizione, le bolle generate per cavitazione sono
meccanicamente instabili.
Resistono finché rimangono nella zona di bassa pressione, ma appena escono da questa
per ritornare in una zona di fluido in quiete, la pressione del vapore non riesce a
contrastare la pressione idrostatica esterna ed avviene l’implosione delle bolle.
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La formazione delle bolle di vapore per cavitazione è legata alla presenza sulle pale della
pompa di un centro di nucleazione, costituito da asperità presenti sulla sua superficie o
da impurità trasportate dal liquido e depositate su di essa.
La cavitazione è favorita dalle seguenti situazioni:
Ingenti perdite di carico a monte della pompa (in aspirazione);
Differenza di quota tra serbatoio e pompa;
Alto valore della tensione di vapore dell’acqua a causa di un elevato valore della
temperatura.
In corrispondenza della girante il moto rotatorio delle pale, spostando il liquido, può
creare zone di bassa pressione potenzialmente causa di cavitazione.
La cavitazione causa una diminuzione delle prestazioni ottenibili dalla pompa.
Di solito si ritiene che il fenomeno sia in atto quando si nota un abbassamento di
potenza, prevalenza o portata superiore al 3%.
E’ anche causa di emissione di rumore e danneggiamento dei componenti meccanici
della pompa, fino alla rottura della girante a causa del collasso delle bolle che genera
urti meccanici intensi in grado di scavare dei fori sulle parti metalliche.
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La cavitazione può essere in fase di aspirazione o di scarico.
La cavitazione in aspirazione si ha quando il liquido entra nella pompa in
condizioni di bassa pressione per cui bolle di vapore si formano all’ingresso
della pompa, attraversano la girante e implodono in corrispondenza della
sezione di uscita dove incontrano una zona ad alta pressione.
Per evitare questo fenomeno bisogna garantire un valore minimo di
pressione all’ingresso della pompa, definito da una grandezza particolare
caratteristica della pompa:
NPSH (Net Positive Suction Head - carico netto sulla aspirazione)
Il valore dell’NPSH rappresenta la pressione minima che deve essere
garantita all’ingresso della pompa per evitare fenomeni di cavitazione.
L’NPSH è di solito espresso in m c.a. (Sistema Tecnico)
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La cavitazione in fase di scarico si manifesta quando la pressione di uscita
della pompa è molto alta (di solito quando la pompa lavora a meno del 10%
delle sue condizioni di massima efficienza).
A causa del valore elevato della pressione all'uscita, può avvenire che una parte
del liquido ricircoli nella pompa invece di uscire, passando ad alta velocità
nello spazio tra la girante e lo statore.
L'alta velocità di cui è dotato il fluido causa la formazione di zone di bassa
pressione e la conseguente generazione di bolle di vapore.
Questa situazione può provocare notevole usura della girante e dello statore,
oltre che dei cuscinetti e delle guarnizioni. In condizioni estreme si può avere
anche la rottura dell’albero.
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